Ограничитель напряжения с отрицательным участком динамического сопротивления

Изобретение относится к области микроэлектроники, в частности к полупроводниковым ограничителям напряжения, и может быть использовано при защите электронных устройств от перенапряжений. Сущность изобретения: в ограничителе напряжения с отрицательным участком динамического сопротивления, содержащем многослойную кремниевую структуру, слои которой образуют последовательно расположенные р-n переходы, и контакты, структура содержит не менее пяти слоев, в которых время жизни носителей имеет значение из интервала τ=0,01-1 мксек, концентрация легирующей примеси в слоях находится в интервале 1·10¹⁵-1·10²⁰ см^-3, а слои выполнены таким образом, что для по крайней мере одного слоя структуры соблюдено условие h_i>√D_iτ_i, где h_i - толщина указанного слоя, D_i - коэффициент диффузии носителей заряда в этом слое, τ_i - время жизни носителей заряда в этом слое, и по крайней мере для одного слоя структуры соблюдено условие h_j<√D_jτ_j, где h_j - толщина этого слоя, D_j - коэффициент диффузии носителей заряда в этом слое, τ_j - время жизни носителей заряда в этом слое. Техническим результатом изобретения является создание ограничителя напряжения с отрицательным участком динамического сопротивления, а также повышение максимально допустимой рассеиваемой мощности при фиксированном напряжении ограничения. 7 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области микроэлектроники, в частности к полупроводниковым ограничителям напряжения. и может быть использовано при защите электронных устройств от перенапряжений.

Известен высоковольтный ограничитель напряжения [1], выполненный из N одинаковых последовательно включенных низковольтных р-n-р или n-p-n симметричных ограничителей напряжения, количество которых (N) определяется из соотношения, связывающего минимальную величину пробивного напряжения ограничителя, динамическое сопротивление одноэлементного ограничителя с минимальным пробивным напряжением, максимально допустимое значение амплитуды повторяющегося импульса обратного тока, который может протекать через ограничитель при его работе, и максимально допустимое значение величины напряжения, которое может возникать на ограничителе напряжения при протекании через него импульсного обратного тока с максимальным значением амплитуды. указанным выше, при этом минимальная величина пробивного напряжения каждого из N одинаковых последовательно включенных ограничителей обратно пропорциональна количеству ограничителей и прямо пропорциональна минимальной величине пробивного напряжения ограничителя. Этот ограничитель напряжения имеет высокое рабочее напряжения и способен пропускать импульсный ток в сотни ампер без существенного напряжения на нем, что не способны обеспечить другие ограничители. Однако толщина р и n слоев этого ограничителя велика, что ограничивает его функциональные возможности

Также известен высоковольтный полупроводниковый ограничитель напряжения [2], содержащий кремниевую подложку с последовательно сформированным на ее поверхности, по крайней мере, одним изолирующим слоем, обеспечивающим изоляцию подложки, и слоем толщиной 0,1-10 мкм из поликристаллического кремнийсодержащего материала, в котором выполнены чередующиеся, последовательно соединенные области р-n⁺-р-n⁺…р или n⁺-р-n⁺…n⁺-р-n⁺ или р-n⁺…р-n⁺ типа проводимости, полученные легированием указанного слоя на всю толщину до концентрации легирующей примеси не менее 1·10¹⁶ и 5·10¹⁶ см^-3 соответственно, в областях р и n⁺ типа проводимости, к крайним областям подсоединены контакты.

Известный ограничитель напряжения является высоковольтным, но ввиду небольшой высоты эпитаксиального слоя, в котором сформированы р и n области, площадь растекания тока невелика, что приводит к ограничению его использования по мощностным характеристикам для снятия всплесков напряжения.

Техническим результатом заявленного изобретения является создание ограничителя напряжения с отрицательным участком динамического сопротивления, а также повышение максимально допустимой рассеиваемой мощности при фиксированном напряжении ограничения.

Технический результат заявленного изобретения достигается тем, что в ограничителе напряжения, содержащем многослойную кремниевую структуру, слои которой образуют последовательно расположенные р-n переходы, и контакты, отрицательный участок динамического сопротивления получен тем, что структура содержит не менее пяти слоев, в которых время жизни носителей имеет значение из интервала τ=0,01-1 мкс, концентрация легирующей примеси в слоях находится в интервале 1·10¹⁵-1·10²⁰ см^-3, а слои выполнены таким образом, что для по крайней мере одного слоя структуры соблюдено условие h_i>√D_iτ_i, где h_i - толщина указанного слоя, D_i - коэффициент диффузии носителей заряда в этом слое, τ_i - время жизни носителей заряда в этом слое, и по крайней мере для одного слоя структуры соблюдено условие h_j<√D_j τ_j, где h_j - толщина этого слоя, D_j - коэффициент диффузии носителей заряда в этом слое, τ_j - время жизни носителей заряда в этом слое.

Толщины слоев структуры могут быть выбраны из интервала 0,5-100 мкм. Многослойная кремниевая структура может быть получена эпитаксиальным наращиванием и/или с использованием по крайней мере одной операции диффузии.

Необходимое время жизни носителей в слоях структуры может быть получено известными способами, к которым относятся, например, диффузия золота, облучением протонами и/или электронами.

Концентрация легирующей примеси в слоях n-типа проводимости преимущественно находится в интервале 1··10¹⁷-1·10¹⁹ см^-3, а концентрация легирующей примеси в слоях р-типа проводимости преимущественно находится в интервале 1·10¹⁵-1·10¹⁸ см^-3.

Время жизни носителей заряда в различных слоях может отличаться, а может быть одинаково.

Для получения заявленного ограничителя напряжения формируют многослойную кремниевую структуру, слои которой образуют последовательно расположенные р-n переходы, и контакты. Структура содержит не менее пяти слоев и может быть получена различными технологическими способами, с использованием как эпитаксиального наращивания, так и диффузии.

I. Способ получения n-p-n-p-n-…-р-n структур с помощью эпитаксиального наращивания и диффузии.

Берется n-подложка кремния толщиной 300-400 мкм, с удельным сопротивлением 0,001-0,01 Ом·см.

1-й р-слой эпитаксиально наращивается толщиной 10-100 мкм с удельным сопротивлением 0,01-1,00 Ом·см.

2-й n-слой формируется диффузией фосфора.

2-й р-слой формируется эпитаксиальным наращиванием толщиной 9-90 мкм с удельным сопротивлением 0,01-1,00 Ом·см.

Последующие n-слои формируются аналогично второму n-слою.

3-й р-слой наращивается эпитаксиально толщиной 7-70 мкм с удельным сопротивление 0,01-1,00 Ом·см.

Последний р-слой эпитаксиально наращивается толщиной 5-50 мкм с удельным сопротивлением 0,01-1,00 Ом·см.

На 1-й и последний n-слои наносится металлизация для получения контактов.

II. Способ получения n-p-n-p-n-…-р-n структур с помощью эпитаксиального наращивания.

Берется n-подложка кремния толщиной 300-400 мкм, с удельным сопротивлением 0,001-0,01 Ом·см.

1-й р-слой эпитаксиально наращивается толщиной 10-100 мкм с удельным сопротивлением 0,01-1,00 Ом·см.

2-й n-слой эпитаксиально наращивается толщиной 1-10 мкм с удельным сопротивоением 0,01-0,1 Ом·см.

2-й р-слой формируется эпитаксиальным наращиванием толщиной 9-90 мкм с удельным сопротивлением 0,01-1,00 Ом·см.

Последующие n-слои формируются аналогично второму n-слою.

3-й р-слой наращивается эпитаксиально толщиной 7-70 мкм с удельным сопротивление 0,01-1,00 Ом·см.

Последний р-слой эпитаксиально наращивается толщиной 5-50 мкм с удельным сопротивлением 0,01-1,00 Ом·см.

На 1-й и последний n-слои наносится металлизация для получения контактов.

III. Способ получения р-n-р-n-р-…-n-р структур с помощью эпитаксиального наращивания и диффузии.

Берется n-подложка кремния толщиной 300-400 мкм, с удельным сопротивлением 0,001-0,01 Ом·см.

1-й n-слой эпитаксиально наращивается толщиной 10-100 мкм с удельным сопротивлением 0,01-1,00 Ом·см.

2-й р-слой формируется диффузией бора или галлия.

2-й n-слой формируется эпитаксиальным наращиванием толщиной 9-90 мкм с удельным сопротивлением 0,01-1,00 Ом·см.

Последующие р-слои формируются аналогично второму р-слою.

3-й n-слой наращивается эпитаксиально толщиной 7-70 мкм с удельным сопротивление 0,01-1,00 Ом·см.

Последний n-слой эпитаксиально наращивается толщиной 5-50 мкм с удельным сопротивлением 0,01-1,00 Ом·см.

На 1-й и последний n-слои наносится металлизация для получения контактов.

IV. Способ получения р-n-р-n-р-…-n-р структур с помощью эпитаксиального наращивания.

Берется р-подложка кремния толщиной 300-400 мкм, с удельным сопротивлением 0,001-0,01 Ом·см.

1-й n-слой эпитаксиально наращивается толщиной 10-100 мкм с удельным сопротивлением 0,01-1,00 Ом·см.

2-й р-слой эпитаксиально наращивается толщиной 1-10 мкм с удельным сопротивоением 0,01-0.1 Ом·см.

2-й n-слой формируется эпитаксиальным наращиванием толщиной 9-90 мкм с удельным сопротивлением 0,01-1,00 Ом·см.

Последующие р-слои формируются аналогично второму р-слою.

3-й р-слой наращивается эпитаксиально толщиной 7-70 мкм с удельным сопротивление 0,01-1,00 Ом·см.

Последний р-слой эпитаксиально наращивается толщиной 5-50 мкм с удельным сопротивлением 0,01-1,00 Ом·см.

На 1-й и последний р-слои наносится металлизация для получения контактов.

Для обеспечения отрицательного участка динамического сопротивления в полученной структуре время жизни носителей заряда должно иметь значение из интервала τ=0,01-1 мкс, что обеспечено проведением процесса диффузии золота в структуру или облучением структуры протонами и/или электронами. При этом слои должны быть выполнены таким образом, чтобы для, по крайней мере, одного слоя структуры соблюдено условие h_i>√D_iτ_i, где h_i - толщина указанного слоя, D_i - коэффициент диффузии носителей заряда в этом слое, τ_i - время жизни носителей заряда в этом слое, и по крайней мере для одного слоя структуры соблюдено условие h_j<√D_jτ_j, где h_j - толщина этого слоя, D_j - коэффициент диффузии носителей заряда в этом слое, τ_j - время жизни носителей заряда в этом слое.

Примеры реализации.

Были изготовлены 9-слойные n-p-n-p-n-p-n-p-n опытные образцы (образцы изготовлены по варианту - I) со следующими параметрами:

1-й р-слой - толщина 17±2 мкм, удельное сопротивление 0,10 Ом·см.

2, 3, 4, 5, n-слои получены диффузией фосфора глубиной 3 мкм с поверхностной концентрацией 10 (Е20) см^-3

2-й р-слой - толщина 13±2 мкм, удельное сопротивление 0,01 Ом·см;

3-й р-слой - толщина 10±2 мкм, удельное сопротивоение 0,01 Ом·см;

4-й р-слой - толщина 7±2 мкм, удельное сопротивление 0,01 Ом·см.

Металлизация получена напылением Ti или Ni или Ag.

С помощью меза-травления структуры разделены на образцы размерами 2,5×2,5 мм.

С помощью электронного облучения энергией >6 МэВ, дозой 10 (E15) уменьшены значения времени жизни для обеспечения отрицательного участка динамического сопротивления в ограничителе напряжения:

а - без отжига:

пробивное напряжение Uпроб = +120 В, -110 В

напряжение ограничения Uогр при токе 150 А = +175 В, - 165 В;

б - при термообработке 400°C в течение 10 мин получено:

Uпроб = +120 В, -110 В;

Uогр при токе 150 А = +155 В, -145 В;

в - при термообработке 400°C в течение 40 мин получено:

Uпроб = +120 В, -110 В;

Uогр при токе 150 А = +135 В, -125 В.

Наблюдается четкая зависимость соблюдения неравенства h_i>√D_iτ_i, и h_j<√D_j τ_j от времени термообработки (т.е. от времени жизни носителей заряда в структуре).

Видно: а - неравенство не выполняется во всех случаях h_j<√D_j τ_j,

б - неравенство выполняется в одном случае h_i>√D_iτ_i,

в - неравенство выполняется в двух случаях. h_i>√D_iτ_i.

Таким образом, в заявленном ограничителе напряжения получен отрицательный участок динамического сопротивления, что обеспечивает повышение максимально допустимой рассеиваемой мощности при фиксированном напряжении ограничения.

Источники информации

1. RU 2213392 С1, опубл. 27.09.2003.

2. RU 2318271 С2, опубл. 27.02.2008.

1. Ограничитель напряжения с отрицательным участком динамического сопротивления, содержащий многослойную кремниевую структуру, слои которой образуют последовательно расположенные р-n переходы, и контакты, отличающийся тем, что структура содержит не менее пяти слоев, в которых время жизни носителей имеет значение из интервала τ=0,01-1 мкс, концентрация легирующей примеси в слоях находится в интервале 1·10¹⁵-1·10²⁰ см^-3, а слои выполнены таким образом, что для по крайней мере одного слоя структуры соблюдено условие h_i>√D_iτ_i, где h_i - толщина указанного слоя, D_i - коэффициент диффузии носителей заряда в этом слое, τ_i - время жизни носителей заряда в этом слое, и по крайней мере для одного слоя структуры соблюдено условие h_j>√D_jτ_j, где h_j - толщина этого слоя, D_j - коэффициент диффузии носителей заряда в этом слое, τ_j - время жизни носителей заряда в этом слое.

2. Ограничитель напряжения по п.1, отличающийся тем, что толщины слоев структуры выбраны из интервала 0,5-100 мкм.

3. Ограничитель напряжения по п.1, отличающийся тем, что многослойная кремниевая структура является эпитаксиальной.

4. Ограничитель напряжения по п.1, отличающийся тем, что многослойная кремниевая структура получена с использованием по крайней мере одной операции диффузии.

5. Ограничитель напряжения по п.1, отличающийся тем, что необходимое время жизни носителей в слоях структуры получено диффузией золота.

6. Ограничитель напряжения по п.1, отличающийся тем, что необходимое время жизни носителей в слоях структуры получено облучением протонами и/или электронами.

7. Ограничитель напряжения по п.1, отличающийся тем, что концентрация легирующей примеси в слоях n-типа проводимости находится в интервале 1·10¹⁷-1·10¹⁹ см^-3, а концентрация легирующей примеси в слоях р-типа проводимости находится в интервале 1·10¹⁵-1·10¹⁸ см^-3.

8. Ограничитель напряжения по п.1, отличающийся тем, что время жизни носителей заряда в различных слоях одинаково.